Интеллектуальные датчики давления

     Давление -  физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности. 

     При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределена по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные напряжения. Т.к. действующая сила всегда перпендикулярна к поверхности вне зависимости от ее расположения, то давления является скалярной величиной.

     В общем случае при неравномерном  распределении действующих на жидкость или газ внешних сил вводится понятие давление в точке: 

где – нормальная сила действующая на сколь угодно малую площадь .

     Понятие давление как физической величины во всех его проявлениях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных  явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого.

     При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета  их разности. По этому признаку различают  следующие виды давлений.

     Абсолютное  давление – давление, значение которого при измерении отсчитывается  от давления, равного нулю. Давление, равное нулю, характеризуется состояние жидкости или газа, обусловленное различными физическими причинами, при котором в них отсутствуют напряжения сжатия.

     Давление  газа равно нулю, если его концентрация настолько мала, что молекулы газа практически не взаимодействуют  друг с другом, или если равна  нулюабсолютная температура газа.

     Равенство нулю давления жидкости имеет мест, если отсутствуют действующие на нее внешние силы.

     Во  всех других случаях измеряемое давление сравнивается с давлением, знаение которого не равно нулю. Данные виды давления, в отличии от абсолютного давления, являются относительными. Здесь следует выделить разность давлений и избыточное давление.

     Разность  давлений

     ,

где p₁ и p₂ – сравниваемые между собой абсолютные давления, причем p₂ принято за начало отсчета. При p₁>p₂ разность давлений положительная, при p₁<p₂ – отрицательная.

     Следует подчеркнуть, что понятие «разность давлений равна нулю» по определению не адекватно равенству нулю давлений p₁ и p₂.

     

     Избыточное  давление – разность давлений, одно и которых, принятое за начало отсчета, является абсолютным давлением окружающей среды – это атмосферное давление в месте измерений.

      ,

где p_абс – абсолютное давление; p_атм – атмосферное давление.

     Так же как и ранее при p_абс>p_атм избыточное давление положительно, при p_абс<p_атм – отрицательно, а равенство нулю p_и не адекватно равенству p_абс и p_атм. В этом заключается принципиальное различие между понятиями разность давлений, избыточное и давление. Последнее по определению не может быть отрицательно.

     Когерентной единицей Международной системы  единиц (СИ) является паскаль (Па). Единица  давления Па представляет собой отношение  единицы силы Ньютона к единице  площади квадратному метру: 1 Па = 1 Н/м² = 1 кг/(м*с²).

Размер  единицы давления Па очень мал, его  значение соответствует давлению столба воды высотой 0.1 мм. Поэтому на практике применяются единицы давления, кратные 1 Па, которые образуются добавлением к наименованию паскаль

     Рис. 1. Адаптирование простого преобразователя давления для измерения абсолютного давления (а), разностного давления (б) и избыточного давления (в)

     приставок, узаконенных СИ: килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) и гигапаскаль (ГПа). Численное указание единицы давления 1 кПа = 1*10³ Па: 1МПа = 1*10⁶ Па; 1ГПа = 1*10⁹ Па.

     Методы  и средства измерения давления

     Методы  измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановится на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

     Давления, исходя из самых общих позиций, может  быть определенно как путем его  непосредственного измерения, так  и посредством измерения другой физической величины, функционально  связанной с измеряемым давлением.

     В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим  звеньям измерительной цепи, преобразующим  ее в требуемую форму. Этот метод  определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей.

     Во  втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука и т.д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений.

     Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым средство измерений воспроизводит  единицу давления, что непосредственно  сказывается на его функциональных возможностях.

     Давление  является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими  величинами – массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения  единицы давления. При измерении по формуле (1.1) давление определяется силой и площадью, а по формуле: 

длинной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости производить аттестацию образцовых средств измерений.

     Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов, средств измерения давления, при методах прямых измерений. Или других физических величин и свойств измеряемой среды – при методах косвенных измерений.

     Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент, который  воспринимает измеряемое давление и  преобразует его в первичный  сигнал, поступающий в измерительную  цепь прибора. С помощью промежуточных  преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется  в измерительных преобразователях в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи  и вторичные приборы во многих случаях унифицированы и могут  приниматься в сочетании с  ЧЭ различных типов.

Рис. 3. Структурная  блок схема ИПД:

p – измеряемое давление; ЧЭ – чувствительный элемент; 1 – n – промежуточные преобразователи; В.С. – выходной сигнал; к системам: I – измерения и контроль; II – регистрации; III – регулирования; IV - управления

 

2. Методы преобразования  давления

     Датчик  давления состоит из первичного преобразователя  давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы  вторичной обработки сигнала, различных  по конструкции корпусных деталей  и устройства вывода (рис. 1). Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный. 

     

     Рисунок 1 – Блок-схема преобразователя  давления в электрический сигнал

     2.1 Тензометрический  метод

     В настоящее время основная масса  датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис. 2), принципом которых  является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране.

     Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления. 

     

     Рисунок 2 – Упрощенный вид тензорезистивного  чувствительного элемента

     Следует отметить принципиальное ограничение  КНС преобразователя – неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные  эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью  конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь  на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с  учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

     К преимуществам можно отнести  хорошую защищенность чувствительного  элемента от воздействия любой агрессивной  среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

     2.2 Пьезорезистивный метод

     Практически все производители датчиков проявляют  живой интерес к использованию  интегральных чувствительных элементов  на основе монокристаллического кремния. Это обусловлено тем, что кремниевые преобразователи имеют на порядок  большую временную и температурную  стабильности по сравнению с приборами  на основе КНС структур.

     Кремниевый  интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с  диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уинстона (рис. 3). Чувствительным элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания.

     

     Рис. 3. Кремниевый интегральный преобразователь давления

     Для измерения давления чистых неагрессивных  сред применяются, решения, основанные на использовании чувствительных элементов  либо без защиты, либо с защитой  силиконовым гелем (рис. 4).

     

     Рис. 4. Решение для пьезорезистивных чувствительных элементов с использованием защитного покрытия

     Для измерения агрессивных сред и  большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости (рис. 5).